Báo cáo Điều khiển quá trình - Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình điều khiển hệ thống khuấy tràn nhiên liệu

MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1 1.1. Điều khiển quá trình 1 1.2. Quá trình và các biến quá trình 1 1.3. Phân loại quá trình 4 1.4. Mục đích và chức năng điều khiển quá trình 5 1.5. Các thành phần của hệ thống 6 1.5.1.Thiết bị đo 7 1.5.2. Thiết bị điều khiển 7 1.5.3. Thiết bị chấp hành 8 1.6. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống 9 1.6.1. Phân tích chức năng hệ thống 9 1.6.2. Xây dựng mô hình quá trình 10 1.6.3. Thiết kế cấu trúc điều khiển 10 1.6.4. Thiết kế thuật toán điều khiển 11 1.6.5. Lựa chọn giải pháp hệ thống 11 1.6.6. Phát triển phần mềm ứng dụng 11 1.6.7. Chỉnh định và đưa vào vận hành 12 Chương 2: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH, MÔ HÌNH HÓA LÝ THUYẾT&NHẬN DẠNG QUÁ TRÌNH 13 2.1. Mô hình và mục đích mô hình hóa 13 2.2. Mô hình hóa lý thuyết 14 2.2.1. Trình tự mô hình hóa theo lý thuyết 14 2.2.2. Các phương trình cân bằng 16 2.2.3. Tuyến tính hóa mô hình hàm truyền đạt 17 2.3. Xác định nhiệm vụ thiết kế hệ điều khiển quá trình 18 2.4. Các bước thiết kế hệ điều khiển quá trình 19 Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHO HỆ THỐNG KHUẤY TRÀN NHIÊN LIỆU 20 3.1. Đặt bài toán 20 3.2. Phân tích bài toán điều khiển, xác định các biến của mô hình và mô hình tổng quát 20 3.3. Thiết kế sách lược điều khiển tầng 21 3.4. Lưu đồ P&ID 21 3.4. Tìm phương trình hàm truyền đạt của hệ 21 3.4.1. Phương trình cân bằng toàn phần 21 3.4.2. Phương trình cân bằng thành phần 22 3.5. Thiết kế Bộ điều khiển cho quá trình bình mức 22 3.5.1. Xây dựng mô hình trên Simulink 22 3.5.2. Kết quả mô phỏng 24 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình 4 Hình 1.2 Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình 5 Hình 1.3 Ví dụ thiết bị khuấy trộn đơn giản 7 Hình 1.4 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình 8 Hình 1.5 Các thành phần trong hệ thống điều khiển nhiệt độ 9 Hình 1.6 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống điều khiển quá trình 11 Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ 21 Hình 3.2 Xác định các biến quá trình 22 Hình 3.3 Sách lược điều khiển 22 Hình 3.4 Lưu đồ P&ID 22 Hình 3.5 Mô hình hệ thống 23 Hình 3. 6 Sơ đồ tính mực chất lỏng 24 Hình 3.7 Phương trình cân bằng toàn phần 24 Hình 3.8 Thông số cơ bản của hệ thống 24 Hình 3.9 Sơ đồ tính thành phần 25 Hình 3.10 Phương trình cân bằng thành phần 25 Hình 3.11 Tín hiệu thành phần chất lỏng 26 Hình 3.12 Tín hiệu thu được về chiều cao của chất lỏng 26 Hình 3. 13 Sơ đồ hệ thống có điều khiển bằng PID 27 Hình 3. 14 Thông số PID của thành phần chất 27 Hình 3.15 Thông số PID của chiều cao chất lỏng 27 Hình 3. 16 Tín hiệu ra của thành phần chất 28 Hình 3. 17 Tín hiệu ra của chiều cao chất lỏng 28 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1. Điều khiển quá trình Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và con người. 1.2. Quá trình và các biến quá trình Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin dưoc biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ (IEC60050-351 [1], ANSI/ISA 88.01 [2], DIN 19222 (4). Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biển đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ vật. chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất năng lượng. Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như quá trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp, nhưng cũng có thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phản ứng-tháp chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi-turbin. Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc và được can thiệp. Khi nói tới một quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị do và thiết bị chấp hành. Sự phân biệt giữa hai khái niệm “quá trình kỹ thuật” và “quá trình công nghệ” ở dây không phải là vấn đề từ ngữ, mà chì nhằm mục đích thuận tiện cho các nội dung trình bày sau này. Từ nay về sau, nếu không nhấn mạnh thì khái niệm “quá trình” có thể được hiểu là “quá trình công nghệ” hoặc ”quá trình kỹ thuật” tùy theo ngữ cảnh sử dụng. Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình. Khái niệm quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình được minh họa trên Hình 1.1. Một biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trang thái đóng/mở của rơ-le soi đốt,.. Một biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thường hay quá cao... Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình Nhìn từ quan điểm lý thuyết của hệ thống các biến vào thể hiện nguyên nhân trong khi các biến có thể xuất hiện kết quả (quan hệ nhân – quả). Cạnh các biến vào ra, nhiều khi ta cũng quan tâm đến các biến trạng thái. Các biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ nhiệt độ, áp suất hơi hoặc mức chất lỏng, hoặc cũng có thể là dẫn xuất từ các đại lượng đặc trưng khác, ví dụ như (tốc độ) biến thiên nhiệt độ, áp suất hoặc mức. Trong nhiều trường hợp, một trạng thái biến cũng có thể được coi là một biến. Ví dụ, mức nước trong bình chứa vừa có thể coi là một trạng thái, vừa có thể coi là một biến ra. Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là ca thiệp các biến vào của quá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các tiêu chí trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và môi trường xung quanh. Hơn nữa, các diễn biến của quá trình cũng như các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát chặt chẽ. Tuy nhiên, trong một quá trình công nghệ thì không phải biến vào nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển. Biến cần điều khiển (controlled variable, CV) là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt (set point, SP) hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu (command variable/reference signal). Các biến cần điều khiển liên quan quan hệ trọng đến sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm. Nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình. Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình có thể được đo, ghi chép hoặc hiển thị. Biến điều khiển (manipulated variable, MV) là một biến vào của quá trình có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn. Trong điều khiển quá trình thì lưu lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất. Những biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm được coi là nhiễu. Nhiễu tác động tới quá trình một cách không mong muốn, vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ hoặc ít nhất là giảm thiểu ảnh hưởng của nó. Có thể phân biệt hai loại nhiều có đặc trưng khác hẳn nhau là nhiễu quá trình (disturbance) và nhiễu đo (noise). Nhiễu quá trình là những biến vào tác động lên quá trình kỹ thuật một cách cố hữu nhưng không can thiệp dược, ví dụ trọng lượng hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, thành phần nhiên liệu, v.v... Còn nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo được. Lưu ý rằng, cần phân biệt rạch ròi giữa các đầu vào/ra công nghệ và đầu vào/ra nhìn từ lý thuyết hệ thống. Nhìn từ phía công nghệ thì các đầu vào và đầu ra của một quá trình có thể là năng lượng hoặc vật chất, nhưng từ quan điểm hệ thống ta chỉ quan tâm tới thông tin thể hiện qua các biến quá trình. Hình 1.2 minh họa một bình chứa chất lỏng đơn giản cùng với các biến đặc trưng. Đây là một quá trình công nghệ, trong đó chất lỏng được vận chuyển và lưu trữ. Mặc dù chất lỏng chảy vào và ra khỏi bình, nhưng cả lưu lượng vào và lưu lượng ra đều được coi là các biến vào, trong khi mức chất lỏng h vừa có thể coi là một biến trạng thái hoặc là một biến ra của quá trình. Bài toán điều khiển đặt ra là thông qua điều chỉnh độ mở van cấp, thay đổi lưu lượng vào F_i, một cách hợp lý để duy trì mức trong bình h ổn định tại một giá trị mong muốn, không phụ thuộc vào lưu lượng ra F_0. Có thể dễ dàng thấy, mức chất lỏng h là biến cần điều khiển và lưu lượng vào F_i là biến điều khiển. Trong khi đó, lưu lượng ra F_0 phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng của quá trình tiếp theo, không thể can thiệp được ở đây vì vậy được coi là nhiễu quá trình hay nhiễu tải. Hình 1.2 Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình Các biến quá trình có thể đo được hoặc không đo được. Trong đa số các trường hợp, biến cần điều khiển cũng là một đại lượng đo được. Tuy nhiên nếu phép đo một đại lượng quá chậm, quá thiếu chính xác hoặc quá tốn kém, nó có thể được quan sát, tính toán hoặc điều khiển gián tiếp thông qua một đại lượng khác thay vì đo hoặc điều khiển trực tiếp. Vì thế, một biến cần điều khiển trong một số trường hợp chưa chắc sẽ là một biến được điều khiển. Ví dụ, đối với các tháp chưng luyện thì biến cần điều khiển là thành phần của sản phẩm ra. Tuy nhiên, phép đo thành phần hóa chất thường rất chậm và kém chính xác, hơn nữa ảnh hưởng của nhiễu được phản ánh rất chậm trong thay đổi thành phần sản phẩm ra. Thực tế, người ta có thể chọn biến được điều khiển là nhiệt độ đỉnh tháp cũng như nhiệt độ đáy tháp, với lý do thành phần sản phẩm có hệ thống chặt chẽ với nhiệt độ, nhiệt độ dễ đo hơn và phản hồi ánh sáng. nhanh hơn ảnh hưởng của nhiễu. Trong nhiều bài toán, việc nhận biết các biến quá trình cũng như chọn các biến được điều khiển và điều khiển biến không phải bao giờ cũng dễ dàng. Đây là một trong những quan trọng của nhiệm vụ trong quá trình điều khiển hệ thống thiết kế mà chúng ta sẽ bàn kỹ hơn trong các chương trình sau. 1.3. Phân loại quá trình Các công nghệ được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau. Cách phân loại thứ nhất là dựa trên số lượng biến vào và biến ra. Một quá trình chỉ có một biến ra được gọi là quá trình đơn biến, còn nếu có nhiều biến ra thì được gọi là quá đa biến. Một quá trình một vào – một ra còn được gọi tắt là SISO (single-input single-output), quá trình nhiều vào – nhiều ra được gọi là MIMO (multi-input multi-output). Có thể nói, hầu hết các công nghệ đều là đa biến. Dựa trên đặc tính của các đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng thái tiêu biểu), ta cũng có thể phân loại các quá trình thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ. Trong một quá trình liên tục, các nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận chuyển hoặc biến đổi một cách liên tục (hoặc gần như liên tục). Một khi đạt được trạng thái xác lập, bản chất của quá trình không phụ thuộc vào thời gian vận hành. Các đại lượng đặc trưng của một quá trình liên tục là các biến tương tự, tức chúng có thể lấy một giá trị bất kỳ trong phạm vi giới hạn. Quá trình trao đổi nhiệt, quá trình bay hơi, quá trình vận chuyển chất lỏng và chất khí là các ví dụ quá trình liên tục tiêu biểu. Một quá trình gián đoạn (hay còn gọi là quá trình không liên tục) có bản chất giống như quá trình liên tục, tuy nhiên các biến vào ra chỉ được quan sát tại những thời điểm gián đoạn nhất định. Trong một quá trình rời rạc, các đại lượng đặc trưng chỉ thay đổi giá trị tại một số thời điểm nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong một tập hữu hạn cho trước, tạo nên trạng thái rời rạc của quá trình. Cũng vì vậy, các đại lượng đặc trưng của một quá trình rời rạc thường được biếu biễn bằng các biến số nguyên, trường hợp đặc biệt là các biến kí tự (cho các sự kiện) hoặc biến logic (cho các trạng thái logic). Quá trình đóng bao, đóng chai, quá trình phục vụ, quá trình chế tạo, quá trình lắp ráp là các ví dụ quá trình rời rạc tiêu biểu. Một quá trình mẻ là một quá trình hỗn hợp (hệ lai, hybrid system), có đặc trưng của cả quá trình liên tục và quá trình rời rạc. Quá trình mẻ hoạt động theo một quy trình thao tác (công thức, recipe) cho trước và tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với một mẻ. Các đại lượng đặc trưng của một quá trình mẻ bao gồm các biến tương tự và biến rời rạc. Đặc biệt, yếu tố thời gian và yếu tố sự kiện đóng một vai trò qua trọng trong một quá trình mẻ. Các quá trình phản ứng hóa học, quá trình pha chế, quá trình lên men (bia, rượu) là những ví dụ tiêu biểu cho quá trình mẻ. Quá trình liên tục và quá trình mẻ là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế biến, trong khi quá trình rời rạc là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế tạo và lắp ráp. Do vậy, trong lĩnh vực điều khiển quá trình ta quan tâm trước hết tới các quá trình liên tục và quá trình mẻ. Tuy nhiên, ngay cả trong những nhà máy chế biến cũng tồn tại một số quá trình rời rạc, ví dụ quá trình nhập xuất hàng, vận chuyển, đóng bao, khởi động và dừng thiết bị,... 1.4. Mục đích và chức năng điều khiển quá trình Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu quả và kinh tế cho quá trình công nghệ. Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình, người kỹ sư phải làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần thực hiện để đạt được các mục đích đó. Việc đặt bài toán và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển quá bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thể hóa các mục đích điều khiển. Phân tích mục đích điều khiển là cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình. Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và sắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây: 1. Bảo đảm hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy, vận hành thuận tiện. 2. Bảo đảm năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu. 3. Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố. 4. Bảo vệ môi trường: giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu. 5. Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường. Để phân tích các mục đích điều khiển và làm rõ các chức năng điều khiển quá trình, ta xét ví dụ điều khiển thiết bị khuấy trộn minh họa trên Hình 1.3. Hai dòng nguyên liệu có thành phần chất A lần lượt là x_1 và x_2 được đưa vào thiết bị khuấy trộn, tạo ra một sản phẩm có thành phần x theo yêu cầu. Lưu lượng khối lượng của các dòng nguyên liệu được kí hiệu là w_1 và w_2, có thể điều chỉnh qua hai van cấp tương ứng. Quá trình pha chế được hỗ trợ bởi một hệ thống khuấy trộn gắn động cơ. Dung dịch sản phẩm được đưa tới quá trình tiếp theo với lưu lượng khối lượng w. Thiết bị khuấy trộn có thể hoạt động theo chế độ liên tục hoặc theo mẻ, ở đây ta quan tâm trước hết tới chế độ vận hành liên tục. Hình 1.3 Ví dụ thiết bị khuấy trộn đơn giản 1.5. Các thành phần của hệ thống Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa, các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản đến tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dự trên 3 thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển. Chức năng của mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng được thể hiện một các trực quan với sơ đồ khối trên Hình 1.4 Hình 1.4 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình Trong đó: - Giá trị đặt: Set Point (SP), Set Value (SV) - Tín hiệu điều khiển: Control Signal, Controller Output (CO) - Biến điều khiển: Control Variable, Manipulated Variable (MV) - Biến được điều khiển: Controlled Variable (CV) - Đại lượng đo: Measured Variable, Process Value (PV) - Tín hiệu đo: Measured Signal, Process Measurement (PM) Để thấy một các sơ lược chức năng của từng thành phần trong hệ thống và quan hệ giữa chúng ta, trước hết ta xét một ví dụ về điều khiển nhiệt độ minh họa trên Hình 1.5. Nhiệt độ chất lỏng ra khỏi bình (T) được đo bằng cảm biến cặp nhiệt, tín hiệu điện áp ra được một bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) chuyển sang tín hiệu chuẩn dòng 4-20mA và đưa tới bộ điều khiển DCS (Distributed Control System). DCS là giải pháp điều khiển số tích hợp có cấu trúc phân tán được sử dụng rất rộng rãi trong các hệ thống điều khiển quá trình. Tín hiệu do tương tự 4-20mA trước khi hết phải được chuyển sang dạng số (khâu biến đổi A/D) trước khi được xử lý tiếp trong máy tính số. Giá trị nhiệt độ mong muốn (T_sp) được người vận hành đặt từ trạm vận hành, hoặc do một chương trình điều khiển cao cấp trên trạm vận hành tính toán và đưa xuống. Qua so sánh giữa giá trị đo với giá trị đặt mong muốn, chương trình điều khiển tính toán giá trị biến điều khiển theo một thuật toán đã được cài đặt. Ví dụ với thuật toán tỉ lệ, giá trị biến điều khiển sẽ tỉ lệ thuận với sai lệch. Giá trị này được khâu biến đổi số - tương tự (khâu D/A) chuyển thành tín hiệu điều khiển theo chuẩn dòng 4-20mA để đưa xuống van điều khiển (thiết bị chấp hành). Cuối cùng, tín hiệu điều khiển được chuyển đổi qua khâu I/P thành dạng tín hiệu khí nén 0.2-1bar để thay đổi độ mở van cấp dòng nóng. Lưu lượng dòng nóng F_1 được thay đổi và thông qua đó điều chỉnh nhiệt độ ra T tới giá tri đặt T_sp. Ví dụ minh họa ở đây dựa trên cấu trúc ghép nối truyền thông với các tín hiệu tương tự và vào - ra tập trung. Trong thực tế người ta có thể sử dụng các cấu trúc ghép nối khác như vào - ra phân tán và sử dụng công nghệ bus trường. Khi đó quan hệ liên kết giữa các thành phần trong hệ thống có thể khác một chút về mặt hình thức, nhưng bản chất trao đổi thông tin không có gì khác biệt. Hình 1.5 Các thành phần trong hệ thống điều khiển nhiệt độ 1.5.1.Thiết bị đo Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa nào đó với đại lượng đo. Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến (sensor) và chuyển đổi (transducer). Một cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận địa lượng quan tâm của quá trình kỹ thuật và biến đổi thành một tín hiệu. Để có thể truyền xa và sử dụng được trong thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được khuếch đại, điều hòa và chuyển đổi sang một dạng thích hợp. Một bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) là một bộ chuyển đổi do mà cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0-20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu bus trường,..). Trong các hệ thống điều khiển quá trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất, song xu hướng gần đây cho thấy việc ứng dụng công nghệ bus trường ngày càng chiếm ưu thế. Lưu ý rằng các thuật ngữ “transmitter” hoặc “transducer” đôi khi cũng được dùng để chỉ cả thiết bị đo, tức là trong đó đã bao gồm cả “sensor”. 1.5.2. Thiết bị điều khiển Thiết bị điều khiển (control equipment, controller) hay bộ điều khiển (controller) là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp. Mặc dù các thuật ngữ “thiết bị điều khiển” và “bộ điều khiển” trong thực tế được sử dụng với nghĩa tương đồng, ở đây ta cũng cần làm rõ sự khác biệt nhỏ. Tùy theo ngữ cảnh, một bộ điều khiển có thể được hiểu là một thiết bị điều khiển đơn lẻ (ví dụ bộ điều khiển nhiệt độ), một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ (ví dụ khối PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị điều khiển chia sẽ (ví dụ một trạm PLC/DCS). Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển sách lược điều khiển được lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành. Tùy theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể được xếp loại là thiết bị điều khiển tương tự (analog controller), thiết bị điều khiển logic (logic controller) hoặc thiết bị điều khiển số (digital controller). Các thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén hoặc điện tử được xếp vào loại tương tự. Một mạch logic rơ-le (cơ - điện hoặc điện tử) là một thiết bị điều khiển logic theo đúng nghĩa của nó. Một thiết bị điều khiển số được xây dựng trên nền tảng máy tính số, có thể thay thế chức năng của một thiết bị điều khiển tương tự hoặc một thiết bị điều khiển logic. Một thiết bị điều khiển số có thể chấp nhận các đầu vào/ra là tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự và tích hợp các thành phần chuyển đổi tương tự - số như cầu thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giờ cũng được thực hiện bằng máy tính số. Một thiết bị điều khiển số không những cho chất lượng và độ tin cậy cao hơn, mà còn có thể đảm nhiệm nhiều chức năng điều khiển, tính toán và hiển thị cùng một lúc. Có thể nói rằng, tất cả các giải pháp điều khiển hiện đại (PLC, DCS, PAS) đều là các hệ điều khiển số. Một thiết bị điều khiển số thực chất là một máy tính số được trang bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều khiển. Vì vậy khi ta nói tới máy tính điều khiển tức là chỉ bao hảm khối xử lý trung tâm (CPU), khối nguồn (PS) và các thành phần tích hợp trên bo mạch. Còn các khái niệm thiết bị điều khiển hoặc trạm điều khiển bao hàm cả máy tính điều khiển và các thành phần mở rộng, kể cả các module vào/ra và module chức năng khác. 1.5.3. Thiết bị chấp hành Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system, final control element) nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện tác động can thiệp tới biến điều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm và quạt gió. Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật. Ví dụ, tùy theo tín hiệu điều khiển mà một van điều khiển có thể điều chỉnh độ mở van và thay đổi lưu lượng cấp, qua đó điều chỉnh mức chất lỏng trong bình. Một máy bơm có điều chỉnh tốc độ cũng có thể sử dụng để thay đổi áp suất dòng chất lỏng hoặc dòng khí và qua đó điều chỉnh lưu lượng Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ cấu chấp hành hay cơ cấu dẫn động (actuator) và phần tử điều khiển (control element). Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng (cơ hoặc nhiệt), trong khi phần từ tác động can thiệp trực tiếp vào biển điều khiển. Ví dụ trên Hình 1.5, cơ cấu chấp hành bao gồm khẩu chuyển đổi L/P cộng với cơ cấu truyền động khí nén, còn phần tử điều khiển chính là thân van. 1.6. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống Việc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm nhiều bước như phân tích, thiết kế, lập trình, chỉnh định và đưa vào vận hành, ta gọi chung là các nhiệm vụ phát triển hệ thống. Các nhiệm vụ chính của người kỹ sư trong phát triển hệ thống điều khiển quá trình được minh họa trên Hình 1.6. 1.6.1. Phân tích chức năng hệ thống Qui trình thiết kế một hệ thống điều khiển bao giờ cũng bắt đầu với bước tìm hiểu các yêu cầu công nghệ để đưa ra đặc tả các chức năng cụ thể của hệ thống dựa trên cơ sở phân tích các mục đích điều khiển cơ bản. Đây là một nhiệm vụ hiết sức quan trong, cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa những người làm điều khiển với các nhà công nghiệ. Người kỹ sư thiết kế điều khiển được cung cấp các bản vẽ và tài liệu liên quan mô tả quy trình công nghệ, trong đó bản vẽ lưu đồ công nghệ là quan trọng nhất. Công việc của người kỹ sư thiết kế điều khiển trước hết là nghiên cứu các bài toán điều khiển, bổ sung các chức năng điều khiển quá trình cụ thể và thể hiện chúng trên các bản vẽ và lưu đồ chức năng hay lưu là P&ID sơ lược. Tiếp theo, các yêu cầu về mặt công nghệ cho mỗi bài toán điều khiển cần được cụ thể hóa thông qua của các chỉ tiêu chất lượng, ví dụ sai số điều khiển cho phép, thời gian quá độ, mức độ dao động,... Bên cạnh đó, các điều kiện vận hành như điểm làm việc, các điều kiểu biên, các chế độ vận hành và các yêu cầu về an toàn hệ thống cũng cần được làm rõ. Các biểu đồ trình tự cũng được sử dụng để biểu diễn các yêu cầu về trình tư vận hành công nghệ. Hình 1.6 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống điều khiển quá trình 1.6.2. Xây dựng mô hình quá trình Thiết kế hệ thống trên cơ sở mô hình là phương pháp không thể thiếu của người kỹ sư. Mô hình giúp ta hiểu rõ hơn về quá trình công nghệ, giúp ta trừu tượng hóa vấn đề và vì thế đơn giản hóa cách giải quyết. Hơn nữa, mô hình quá trình không chỉ quan trọng đối với công việc thiết kế mà còn phục vụ việc mô phỏng và đảo tạo vận hành. Việc xây dựng mô hình còn được gọi là mô hình hóa. Mô hình hóa có thể tiến hành ở nhiều mức và với nhiều phương pháp khác nhau. 1.6.3. Thiết kế cấu trúc điều khiển Sau khi đã làm rõ các chức năng điều khiển và hiểu rõ mô hình toán học của quá trình, bước tiếp theo là xác định cấu trúc điều khiển (hay sách lược điều khiển). Thiết kế cấu trúc điều khiển chưa đi cụ thể vào thuật toán điều khiển, mà nhằm mục đích làm rõ về mặt cấu trúc liên kết giữa các phần tử trong hệ thống. Đây là công việc hết sức quan trọng, đòi hỏi không những kiến thức vững chắc về lý thuyết điều khiển mà cả nhiều kinh nghiệm thực tế. Về mặt cấu trúc điều khiển, cần cân nhắc lựa chọn giữa cấu trúc tập trung, cấu trúc phi tập trung hoặc các cấu trúc hỗn hợp (phân tán, phân cấp). Tiếp theo, ta cần lựa chọn các biến được điều khiển, các biển điều khiển tương ứng, các biến nhiều và liên kết chúng với nhau dựa trên các phần tử cấu hình để xây dựng các sách lược điều khiển tụ thể, ví dụ sách lược phản hồi, bù nhiễu, tỉ lệ,... Kết quả của công việc thiết kế sách lược điều khiển được thể hiện rõ nhất trên các lưu đồ P&ID chi tiết. Kết quả của thiết kế sách lược điều khiển liên động là các bản vẽ biểu đồ logic, trong khi kết quả của thiết kế sách lược điều khiển trình tự là các bản vẽ biểu đồ trình tự. Những công cụ toán học và công cụ máy tính trong lý thuyết điều khiển tự động giúp ta phân tích và đánh giá tính thích hợp của các sách lược điều khiển. 1.6.4. Thiết kế thuật toán điều khiển Thiết kế thuật toán điều khiển hay thiết kế bộ điều khiển là việc xác định rõ ràng các bước tính toán và các công thức tính toán cụ thể để có thể cài đặt trên máy tính điều khiển. Công việc thiết kế bộ điều khiển bao gồm hai bước lựa chọn kiểu bộ điều khiển hay cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các tham số của bộ điều khiển. Công việc thiết kế bộ điều khiển bao giờ cũng không thể tách rời bài toán phân tích hệ thống. Đặc biệt ở đây, các phương pháp hiện đại của lý thuyết điều khiển tự động cùng các công cụ máy tính có vai trò hết sức quan trong. Song, để có thể đưa mỗi bài toán thiết kế cụ thể về dạng chuẩn quen thuộc, người kỹ sư hiểu rõ mối quan hệ giữa bộ điều khiển với các thiết bị đo và thiết bị chấp hành cũng như đặc tính cơ bản của chúng. Bên cạnh thuật toàn điều khiển cho chức năng điều chỉnh, ta cũng phải đặc biệt quan tâm tới các thuật toán logic cho điều khiển liên động và điều khiển trình tự. Kết quả của thiết kế thuật toán điều khiển liên động là các biểu đồ chức năng logic hoặc phương trình logic, trong khi kết quả của thiết kế điều khiến trình tự là các bản vẽ biểu đồ chức năng trình tự chi tiết. 1.6.5. Lựa chọn giải pháp hệ thống Lựa chọn giải pháp hệ thống bao gồm lựa chọn kiến trúc giải pháp hệ thống điều khiển và giám sát, lựa chọn các thiết bị đo và thiết bị chấp hành sao cho phù hợp với các yêu cầu của quy trình công nghệ. Công việc này đòi hỏi người kỹ sư có một cái nhìn tổng quan về công nghệ hệ thống điều khiển và cũng như nắm được các vấn đề cơ bản trong phương pháp đánh giá tính năng của các giải pháp khác nhau. 1.6.6. Phát triển phần mềm ứng dụng Trong hệ thống điều khiển quá trình hiện đại thì phần mềm chính là chất xám, là phần hồn của hệ thống. Trên cơ sở thiết kế điều khiển chi tiết, các chuyên viên phần mềm có thể bắt đầu với thiết kế các chương trình điều khiển, thiết kế hệ thống cơ sở dữ liệu và thiết kế giao diện người - máy. Sau khi lựa chọn giải pháp hệ thống điều khiển và giám sát, công việc lập trình điều khiển thời gian thực và soạn thảo các màn hình vận hành, giám sát mới được tiến hành. Các chương trình ứng dụng được thử nghiệm từng phần trên cấu hình phần cứng thực với các đối tượng mô phỏng và sau đó được thử nghiệm ghép nối. Không quan trọng là xuất phát từ kỹ sự công nghệ, kỹ sư điều khiển, kỹ sư tự động hóa hay kỹ sư phần mềm, ở đây nhóm chuyên viên phần mềm phải nắm vững những kiến thức nền tảng của công nghệ phần mềm công nghiệp. Công nghệ phần mềm cho các hệ thống điều khiển - tự động hóa cũng có thể được coi thuộc lĩnh vực công nghệ hệ thống điều khiển. 1.6.7. Chỉnh định và đưa vào vận hành Bước cuối cùng trong công việc phát triển hệ thống được thực hiện tại hiện trường, bao gồm hiệu chuẩn các thiết bị đo, chỉnh định lại các tham số của điều khiển, thử nghiệm từng vòng điều khiển, thử nghiệm từng tổ hợp công nghệ, chạy thử từng phân đoạn và đưa vào vận hành toàn bộ nhà máy. Đây cũng là nhiệm vụ hết sức phức tạp, đòi hỏi kiến thức tương đối toàn diện, kinh nghiệm dự án và sự hợp tác hết sức chặt chẽ giữa các kỹ sư công nghệ, kỹ sư đo lường, kỹ sư điều khiển và tự động hóa trong nhóm chuyên gia hiện trường. Chương 2: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH, MÔ HÌNH HÓA LÝ THUYẾT&NHẬN DẠNG QUÁ TRÌNH 2.1. Mô hình và mục đích mô hình hóa Hầu hết các phương pháp điều khiển hiện đại đều dựa trên cơ sở mô hình toán học. Mục đích của phần này là giúp người đọc hiểu rõ hơn về vai trò của mô hình trong các nhiệm vụ phát triển hệ thống nói chung và trong phân tích, thiết kế điều khiển nói riêng, đồng thời nắm được các nguyên tắc cơ bản trong nhiệm vụ mô hình hóa quá trình, trước khi đưa vào các nội dung chi tiết trong các phần sau. Mô hình là hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng. Phân tích và thiết kế trên cơ sở mô hình là phương pháp không thể thiếu được của mỗi người kỹ sư. Mô hình không phải là một ‘bản sao’ mà chỉ là ‘bản chụp’ của thế giới thực từ một góc nhìn nào đó, vì vậy mô hình không cần thiết phản ánh đầy đủ các khía cạnh của hệ thống thực. Như người ta thường nói”Không có mô hình nào chính xác, nhưng một số mô hình có ích”. Mô hình phân chia làm hai loại: mô hình trừu tượng và mô hình vật lý. Mô hình vật lý là sự thu nhỏ đơn giản hóa hệ thống thực, xây dựng trên cơ sở Vật lý- Hóa học giống như các quá trình và thiết bị thực. Mô hình Vật lý là một phương tiện hữu ích phục vụ đào tạo cơ bản và nghiên cứu ứng dụng, phù hợp cho các công việc thiết kế và phát triển của người kỹ sư ĐKQT. Mô hình trừu tượng được xây dựng trên cơ sở một ngôn ngữ bậc cao, nhằm mô tả một cách lô gic các quan hệ về mặt chức năng giữa các thành phần của hệ thống. Việc xây dựng mô hình trừu tượng gọi là mô hình hóa. Mô hình hóa là quá trình trừu tượng hóa, trong đó thế giới thực được mô tả bằng một ngôn ngữ mô hình hóa. Phân loại mô hình trừu tượng. - Mô hình đồ họa với các ngôn ngữ mô hình hóa đồ họa như lưu đồ công nghệ, lưu đồ P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri, biểu đồ SFC (sequence function chart)…Mô hình đồ17 họa biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trúc liên kết và tương tác giữa các thành phần. - Mô hình toán học với ngôn ngữ của toán học như phương trình vi phân, phương trình đại số, hàm truyền đạt, phương trình trạng thái. Mô hình toán học thích hợp cho mục đích nghiên cứu sâu sắc các đặc tính của từng thành phần cũng như bản chất của các mối liên kết và tương tác. - Mô hình suy luận là một hình thức biểu diễn thông tin và đặc tính về hệ thống thực dưới dạng các luật suy diễn, sử dụng các ngôn ngữ bậc cao (gần với tư duy con người) như sơ đồ cây, lưu đồ thuật toán. - Mô hình máy tính là các chương trình phần mềm mô phỏng đặc tính của hệ thống theo những khía cạnh quan tâm. Mô hình máy tính được xây dựng với các ngôn ngữ lập trình, trên cơ sở sử dụng các mô hình toán học hoặc mô hình suy luận. Trong bốn mô hình trên, các mô hình toán học có vai trò then chốt trong hầu hết nhiệm vụ phát triển hệ thống. Mô hình toán học giúp người kỹ sư điều khiển các mục đích sau đây: - Hiểu rõ hơn về quá trình sẽ cần phải điều khiển và vận hành. - Tối ưu hóa thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệ thống - Thiết kế cấu trúc điều khiển - Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển - Phân tích và kiểm chứng các kết quả thiết kế - Mô phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo vận hành *Các phương pháp xây dựng mô hình toán học: - Mô hình hóa bằng lý thuyết hay còn gọi là mô hình vật lý đi từ các định luật cơ bản của vật lý và hóa học kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhận được là các phương trình vi phân (thường hoặc đạo hàm riêng) và phương trình đại số. - Mô hình hóa bằng thực nghiệm hay còn gọi là phương pháp hộp đen hay nhận dạng quá trình, dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tín hiệu vào – ra thực 18 nghiệm và phân tích các số liệu thu được để xác định cấu trúc và tham số mô hình từ một lớp các mô hình thích hợp. - Phương pháp mô hình hóa tốt nhất là kết hợp giữa phân tích lý thuyết và nhận dạng quá trình. Phương pháp kết hợp dựa trên phân tích quá trình để tìm ra cấu trúc mô hình cũng như cơ sở cho việc thiết kế sách lược và lựa chọn kiểu bộ điều khiển. Bước nhận dạng tiếp theo sẽ cho ta một mô hình rất có ích trong tổng hợp bộ điều khiển cũng như mô phỏng thời gian thực nhằm đánh giá sơ bộ chất lượng điều khiển trước khi đưa vào vận hành thực. *Phân loại mô hình toán học. - Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến - Mô hình đơn biến và mô hình đa biến. - Mô hình tham số hằng và mô hình tham số biến thiên. - Mô hình tham số tập trung và mô hình tham số rải. - Mô hình liên tục và mô hình gián đoạn. Các dạng mô hình liên tục gồm: phương trình vi phân, mô hình trạng thái, mô hình trạng thái tuyến tính, mô hình trạng thái phi tuyến, mô hình đáp ứng quá độ (đáp ứng xung impulse, đáp ứng bậc thang step), mô hình hàm truyền đạt (hàm truyền đạt, ma trận truyền đạt), mô hình đáp ứng tần số. Các dạng mô hình gián đoạn gồm: phương trình sai phân, mô hình trạng thái, mô hình đáp ứng quá độ (đáp ứng xung FIR Finite impulse response), đáp ứng bậc thang FSR Finite Step Response), các dạng mô hình đa thức và hàm truyền đạt xung, mô hình hàm truyền đạt gián đoạn. 2.2. Mô hình hóa lý thuyết 2.2.1. Trình tự mô hình hóa theo lý thuyết Xây dựng mô hình toán học bằng phương pháp lý thuyết hay còn gọi là mô hình hóa cơ sở đi từ việc áp dụng các định luật cơ bản của vật lý, hóa học và sinh học kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ để tìm ra quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng của quá trình. Mô hình hóa lý thuyết nhận được là phương trình vi phân và phương trình đại số. Phương trình vi phân biểu diễn đặc tính động học của quá trình trong khi phương trình đại số biểu diễn quan hệ phụ thuộc khác. Xây dựng mô hình hóa gồm các bước: -Phân tích bài toán mô hình hóa: tìm hiểu lưu đồ công nghệ, nêu rõ mục đích sử dụng của mô hình, từ đó xác định mức độ chi tiết và độ chính xác của mô hình cần xây dựng. Trên cơ sở mô tả công nghệ và mục đích mô hình hóa, tiến hành phân chia thành các quá trình con, nhận biết và đặt tên các biến quá trình và các tham số quá trình. -Xây dựng các phương trình mô hình: Nhận biết các phần tử cơ bản trong hệ thống, viết các phương trình cân bằng và phương trình đại số dựa trên cơ sở các định luật bảo toàn, định luật nhiệt động học, vận chuyển, cân bằng pha… Đơn giản hóa mô hình bằng cách thay thế, rút gọn và đưa về dạng phương trình vi phân chuẩn tắc. Tính toán các tham số của mô hình dựa trên các thông số công nghệ đã được đặc tả. -Kiểm chứng mô hình: Phân tích bậc tự do của quá trình dựa trên số lượng các biến quá trình và số lượng các quan hệ phụ thuộc. Đánh giá mô hình về mức độ phù hợp với yêu cầu dựa trên phân tích các tính chất của mô hình kết hợp mô phỏng máy tính. -Phát triển mô hình: Tùy theo mục đích sử dụng có thể chuyển mô hình về các dạng thích hợp như đã trình bày trong chương 2. Tuyến tính hóa mô hình tại điểm làm việc nếu cần thiết. Thực hiện chuẩn hóa mô hình theo yêu cầu của phương pháp phân tích và thiết kế điều khiển. -Nhận biết các biến quá trình (biến cần điều khiển, biến điều khiển và nhiễu) Xây dựng mô hình lý thuyết tức là tìm cách mô tả đặc tính của quá trình thông qua quan hệ toán học giữa các biến quá trình với sự hỗ trợ của các tham số quá trình (tham số công nghệ). Nhìn từ quá trình công nghệ, hầu hết các biến quá trình có thể được xếp vào một trong hai loại biến dòng chảy (với nghĩa tổng quát) hoặc biến trạng thái. Một biến dòng chảy mô tả sự thay đổi, vận chuyển, trao đổi vật chất hoặc năng lượng trong một khu vực, giữa các địa điểm, giữa các vật hoặc giữa các pha. Một biến trạng thái mô tả trạng thái vật chất hoặc năng lượng của quá trình trong từng pha. Một biến dòng có thể thuộc phạm trù “lượng” hoặc “dòng” (khối lượng, thể tích, lưu lượng, nhiệt lượng…), trong khi một biến trạng thái thường thuộc phạm trù “thế” (nhiệt độ, áp suất, nồng độ). Các tham số quá trình cũng được phân chia thành tham số hiện tượng và các kích thước hình học. Các hệ số hiện tượng phản ánh tính chất của vật chất trong hiện tượng vật lýhóa học, ví dụ hệ số tốc độ phản ứng, hệ số nhớt, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng… Các kích thước hình học liên quan tới thiết kế hình học của các thiết bị công nghệ như tiết diện đường ống, thể tích bình chứa, diện tích tiếp xúc… Trước khi bắt tay vào xây dựng các phương trình mô hình, các biến và tham số quá trình cần được thống kê và đặc tả cùng với những tính chất quan trọng của chúng, như bảng đặc tả các biến quá trình: Tên biến Ký hiệu Đơn vị Phụ thuộc Giới hạn Giá trị danh tính Lưu lượng cấp 1 F_1 l/s Thời gian Max.2 0.5 Nồng độ A trong bình 1 C_A Kg/m^3 Thời gian, vị trí 20-40 0.5 ... Việc xác định các biến quá trình xuất phát từ mục đích điều khiển và yêu cầu công nghệ. Trước hết cần xác định biến ra, các biến ra cần điều khiển với các biến vào (biến điều khiển và nhiễu). Biến điều khiển là một biến có thể can thiệp được theo ý muốn để tác động tới biến cần điều khiển. Ngoài ra còn có nhiễu, các biến quá trình không thể can thiệp được, không thể kiểm soát được vì một lý do nào đó, nhiễu được chia làm nhiễu quá trình (Process disturbance) hay một trường hợp đặc biệt hơn là nhiễu tải (Load disturbance). Ngoài ra còn có một loại nhiễu khác là nhiễu đo (measurement noise) là những sai lệch trong quá trình đo, có thể tác động từ bên ngoài, do đặc điểm của quá trình kỹ thuật hoặc do chính thiết bị gây ra. Ví dụ: trong thí nghiệm bình mức dung dịch trong bình có chứa sai số lớn bởi mặt nước không ổn định, do thiết bị đo có sai số hoặc căn chỉnh chưa đúng. 2.2.2. Các phương trình cân bằng a, Phương trình cân bằng vật chất Định luật bào toàn vật chất áp dụng cho hệ động học được áp dụng cho một hệ động học thể hiện qua một phương trình cân bằng toàn phần (dM_(tích lũy))/dt =(dM_vào)/dt - (dM_ra)/dt = ∑w_vào^i - ∑w_ra^i M_(tích lũy) là lượng tích lũy bên trong hệ thống w_vào^i là lưu lượng các dòng vào w_ra^i là lưu lượng các dòng ra khỏi hệ thống. Phương trình cân bằng toàn phần có thể biểu diễn theo đơn vị khối lượng hoặc số mol. Tại điểm làm việc (trạng thái cân bằng), lượng tích lũy bên trong hệ thống không thay đổi, vì vậy ta có tổng lưu lượng vào đúng bằng lưu lượng ra ∑w_vào^i-∑w_ra^i = 0 Ví dụ bình chứa chất lỏng với các giả thiết lý tưởng. Các lưu lượng vào ra không phụ thuộc vào vị trí quan sát. Khối lượng riêng chất lỏng tại mọi vị trí trong bình là như nhau. Lưu lượng ra không phụ thuộc đáng kể vào chiểu cao chất lỏng trong bình. Phương trình cân bằng vật chất tổng quát được cụ thể hóa như sau: (d(ρV))/dt = ρ_0 F_0 - ρF Trong thực tế ta có thể giả thiết thêm là khối lượng riêng của dòng vào không thay đổi đáng kể, có nghĩa là ρ_0 = ρ =const phương trình (1) trở thành dV/dt = F_0 – F b,Phương trình cân bằng năng lượng Định luật bảo toàn năng lượng áp dụng cho một hệ động học, hay còn gọi là định luật thứ nhất của nhiệt động học được diễn đạt như sau: - Năng lượng toàn phần của một hệ động học U_∑ bao gồm nội năng U_I thế năng U_P và động năng U_L U_∑ = U_I + U_P + U_K Trong quá trình nhiệt, thế năng và động năng cũng như công sinh ra có thể coi là không đáng kể so với nội năng và nhiệt lượng, vì thế có thể bỏ qua. Khi đó phương trình có thể viết đơn giản thành: (dU_I)/dt = ∑_(i=1)^n▒〖w_vào h_vào 〗- ∑_(i=1)^n▒〖w_ra h_ra 〗 + q U_I nội năng hệ thống w_vào lưu lượng khối lượng dòng vào hệ thống (kg/s) w_ra lưu lượng khối lượng dòng ra hệ thống (kg/s) h_vàoentanpy của dòng vào (J/kg) h_ra entanpy của dòng ra (J/kg) bổ sung cho hệ thống Q tổng lưu lượng nhiệt thông qua dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt thông qua dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt hoặc phản ứng hóa học (công suất cấp nhiệt) (J/s) Entanpy trên một đơn vị khối lượng được định nghĩa là : h = u + PV^A U nội năng trên một đơn vị khối lượng (J/kg) P áp suất thành ống (N) V^A thể tích riêng (nghịch đảo của khối lượng riêng m^3/s) Giả thiết entanpy không đổi tại một điểm quy chiếu T_ref, h_ref h - h_ref = C_p (T - T_ref) trường hợp áp suất không thay đổi quá lớn, ta có mối quan hệ đơn giản sau h = C_pT 2.2.3. Tuyến tính hóa mô hình hàm truyền đạt Biến chênh lệch và mô hình hàm truyền đạt Mô hình hàm truyền đạt là phần không thể thiếu được cho phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển. Để có được mô hình hàm truyền đạt ta cần lưu ý: - Mô hình hàm truyền chỉ áp dụng cho hệ tuyến tính và giá trị khởi đầu của tất cả các biến liên quan (kể cả đạo hàm xuất hiện trong phương trình mô hình) đều bằng 0. Nếu mô hình ban đầu (phương trình vi phân- đại số) là phi tuyến, ta có thể tuyến tính theo phương pháp ở dưới đây. Để đảm bảo điều kiện thứ 2, ta sử dụng các biến chênh lệch so với điểm làm việc thay cho các biến quá trình thực. Tại điểm làm việc của hệ thống các biến quá trình không thay đổi giá trị, vì thế các biến chênh lệch cũng như đạo hàm của chúng bằng 0. Sau khi đã biến mô hình để thỏa mãn hai điều kiện trên, ta áp dụng biến đổi Laplace cho cả 2 vế của các phương trình mô hình và rút gọn đưa về dạng chuẩn là ham truyền hoặc không gian trạng thái. Ví dụ bình chứa chất lỏng , giả thiết lưu lượng không phụ thuộc vào độ cao của chất lỏng trong bình , phương trình cân bằng vật chất được viết thành: dV/dt = Adh/dt = F_0 – F Trong đó: h mức chất lòng A tiết diện ngang của bình chứa Phương trình trên đã tuyến tính nên ta chỉ cần thay biến chênh lệch vào vị trí các biến tương ứng, ta được phương trình ở trạng thái xác lập: 0 = A(dh ̅)/dt = F ̅_0 – F ̅ Trừ hai vế cho nhau ta nhận được: Ad∆h/dt = ∆F ̅_0 - ∆F ̅ ∆h = h - h ̅; ∆F_0 = F_0 - F ̅_0; ∆F = F - F ̅ Đặt y=∆h; u =∆F; d=∆F_0 Phương trình được viết gọn thành dy/dt = 1/A(y - u) Ở trạng thái ban đầu (điểm làm việc), tất cả các biến chênh lệch y, u, d cũng như đạo hàm dy/dt đều bằng 0. Với các điều kiện này, ta có thể biến đổi Laplace 2 vế sy(s) = - 1/Au(s) + 1/Ad(s) y(s) = - k/τs +k/τsd(s) τ là hằng số thời gian tích phân Hầu hết mô hình toán học của các quá trình thực thực tế đều chứa phương trình vi phân phi tuyến. Nhưng thực tế các phương pháp thiết kế hiện nay đều dùng cho mô hình tuyến tính. Vì thế mô hình thực cần được tuyến tính hóa. Có 3 phương pháp tuyến tính hóa: - Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc (phải là một giá trị cân bằng) áp dụng phép khai triển Taylor, kết quả là một mô hình tuyến tính xấp xỉ có giá trị sử dụng tại lân cận điểm làm việc. - Tuyến tính hóa thông qua phép đổi biến, đơn thuần kết quả có thể là mô hình tuyến tính hoặc mô hình ít phi tuyến nhưng hoàn toàn tương đương với mô hình ban đầu. - Tuyến tính hóa chính xác sử dụng đàn hồi, kết quả là một mô hình mở rộng tuyến tính. Việc tuyến tính hóa sẽ đơn giản hơn nến tiến hành với từng phương trình mô hình. Phép tuyến tính hóa điểm làm việc cho ta mô hình biểu diễn với các biến chênh lệch. Vì thế, từ mô hình tuyến tính ta có thể dẫn xuất ngay mô hình hàm truyền đạt 2.3. Xác định nhiệm vụ thiết kế hệ điều khiển quá trình a. Xác định vấn đề thiết kế Bước thứ nhất của thiết kế là xác định vấn đề thiết kế như một cơ hội để áp dụng các kỹ năng của người kỹ sư thiết kế. Việc xác định đầy đủ các vấn đề thiết kế có thể là rất khó khăn khi bắt đầu phân tích và sự cần thiết phải bổ sung thông tin sẽ trở nên rõ ràng hơn khi vấn đề được phân tích. b.Nhiệm vụ thiết kế hệ điều khiển quá trình Thiết kế hệ điều khiển bao gồm thiết kế điều khiển cơ sở (các mạch vòng và cấu trúc điều khiển liên hợp và các hệ điều khiển logic), thiết kế điều khiển hệ thống (hệ điều khiển tổng thể: có lớp cơ cấu chấp hành, lớp điều khiển, lớp giám sát vận hành và lớp quản lý sản xuất) và các sửa đổi quá trình làm cho quá trình trở nên có thể điều khiển được. Thiết kế hệ điều khiển gồm hai giai đoạn: - Thiết kế nguyên lý. - Thiết kế triển khai. 2.4. Các bước thiết kế hệ điều khiển quá trình Bước 1: Xác định mục tiêu, nhiệm vụ và yêu cầu điều khiển. Bước 2: Phân tích tổng quan. Bước 3: Thiết kế chi tiết. - Thiết kế chi tiết các mạch vòng cơ sở: Mỗi mạch vòng điều khiển cần thiết kế chi tiết đầy đủ các hạng mục. - Thiết kế phần điều khiển logic. - Tính chọn hệ điều khiển. - Thiết kế điều khiển cấp trên. - Lập hồ sơ bản thiết kế. Bước 4: Đánh giá hệ thống điều khiển. Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHO HỆ THỐNG KHUẤY TRÀN NHIÊN LIỆU 3.1. Đặt bài toán Hệ thống bình trộn chất lỏng là hệ thống điển hình ứng dụng điều khiển quá trình, qua hệ thống thiết bị khuấy tràn nhiên liệu, bài toán điều khiển đặt ra là lưu lượng vào dòng thứ hai phụ thuộc vào quá trình dòng đứng trước, trong khi lưu lượng ra là đại lượng có thể can thiệp được. Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ Lưu lượng dòng vào 2 phụ thuộc vào quá trình trước đó. Sản phẩm ra được điều chỉnh bởi van có điều khiển bằng khí nén. Trong đó: - w1, w2, w: Lưu lượng khối lượng của các dòng vào và dòng ra (w1=1,2kg/s; w2=0,6kg/s) - x: thành phần của sản phẩm ra tính theo phần khối lượng - h: mức chất lỏng trong thiết bị (1,44 m) - : khối lượng riêng của chất lỏng trong thiết bị (500 kg/m3) - A: tiết diện bình chứa (2 ) 3.2. Phân tích bài toán điều khiển, xác định các biến của mô hình và mô hình tổng quát Đối với các quá trình liên quan tới điều khiển thành phần hoặc các quá trình liên quan tới chất khí, phương trình cân bằng vật chất tốt nhất được biểu diễn với biến lưu lượng khối lượng hoặc lưu lượng mol. Mục đích sử dụng đặt ra là xây dựng mộ hình phục vụ thiết kế sách lược điều chỉnh, vì thế mô hình không đòi hỏi quá chi tiết. Trước hết ta cũng đưa ra giả thiết là trễ vận chuyển có thể bỏ qua. Tiếp theo, quá trình khuấy trộn được giả thiết là lý tưởng, có nghĩa là chất lỏng đồng nhất tại mọi vị trí trong thiết bị. Khối lượng riêng của hỗn hợp trong thiết bị cũng được coi là không thay đổi đáng kể. Phân tích các mục đích điều khiển, ta xác định được các biến quá trình: - Biến cần điều khiển: x, h - Biến điều khiển: w_1 - Nhiễu: x_1, x_2, w_2 Hình 3.2 Xác định các biến quá trình 3.3. Thiết kế sách lược điều khiển tầng Sách lược điều khiển tầng cấu trúc nối tiếp

MỤC LỤC

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1

1.1 Điều khiển quá trình 1

1.2 Quá trình và các biến quá trình 1

1.3 Phân loại quá trình 4

1.4 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình 5

1.5 Các thành phần của hệ thống 6

1.5.1.Thiết bị đo 7

1.5.2 Thiết bị điều khiển 7

1.5.3 Thiết bị chấp hành 8

1.6 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống 9

1.6.1 Phân tích chức năng hệ thống 9

1.6.2 Xây dựng mô hình quá trình 10

1.6.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển 10

1.6.4 Thiết kế thuật toán điều khiển 11

1.6.5 Lựa chọn giải pháp hệ thống 11

1.6.6 Phát triển phần mềm ứng dụng 11

1.6.7 Chỉnh định và đưa vào vận hành 12

Chương 2: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH, MÔ HÌNH HÓA LÝ THUYẾT&NHẬN DẠNG QUÁ TRÌNH 13

2.1 Mô hình và mục đích mô hình hóa 13

2.2 Mô hình hóa lý thuyết 14

2.2.1 Trình tự mô hình hóa theo lý thuyết 14

2.2.2 Các phương trình cân bằng 16

2.2.3 Tuyến tính hóa mô hình hàm truyền đạt 17

2.3 Xác định nhiệm vụ thiết kế hệ điều khiển quá trình 18

2.4 Các bước thiết kế hệ điều khiển quá trình 19

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHO HỆ THỐNG KHUẤY TRÀN NHIÊN LIỆU 20

3.1 Đặt bài toán 20

3.2 Phân tích bài toán điều khiển, xác định các biến của mô hình và mô hình tổng quát

20

3.3 Thiết kế sách lược điều khiển tầng 21

3.4 Lưu đồ P&ID 21

3.4 Tìm phương trình hàm truyền đạt của hệ 21

3.4.1 Phương trình cân bằng toàn phần 21

3.4.2 Phương trình cân bằng thành phần 22

3.5 Thiết kế Bộ điều khiển cho quá trình bình mức 22

3.5.1 Xây dựng mô hình trên Simulink 22

3.5.2 Kết quả mô phỏng 24

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình 4

Hình 1.2 Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình 5

Hình 1.3 Ví dụ thiết bị khuấy trộn đơn giản 7

Hình 1.4 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình 8

Hình 1.5 Các thành phần trong hệ thống điều khiển nhiệt độ 9

Hình 1.6 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống điều khiển quá trình 11

Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ 21 Hình 3.2 Xác định các biến quá trình 22

Hình 3.3 Sách lược điều khiển 22

Hình 3.4 Lưu đồ P&ID 22

Hình 3.5 Mô hình hệ thống 23

Hình 3 6 Sơ đồ tính mực chất lỏng 24

Hình 3.7 Phương trình cân bằng toàn phần 24

Hình 3.8 Thông số cơ bản của hệ thống 24

Hình 3.9 Sơ đồ tính thành phần 25

Hình 3.10 Phương trình cân bằng thành phần 25

Hình 3.11 Tín hiệu thành phần chất lỏng 26

Hình 3.12 Tín hiệu thu được về chiều cao của chất lỏng 26

Hình 3 13 Sơ đồ hệ thống có điều khiển bằng PID 27

Hình 3 14 Thông số PID của thành phần chất 27

Hình 3.15 Thông số PID của chiều cao chất lỏng 27

Hình 3 16 Tín hiệu ra của thành phần chất 28

Hình 3 17 Tín hiệu ra của chiều cao chất lỏng 28

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1 Điều khiển quá trình

Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và con người

1.2 Quá trình và các biến quá trình

Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin dưoc biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ (IEC60050-351 [1], ANSI/ISA 88.01 [2], DIN 19222 (4) Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biển đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất năng lượng Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như quá trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp, nhưng cũng có thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phản ứng-tháp chưng luyện hoặc một

tổ hợp lò hơi-turbin Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được

đo hoặc và được can thiệp Khi nói tới một quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị do và thiết bị chấp hành Sự phân biệt giữa hai khái niệm “quá trình kỹ thuật” và “quá trình công nghệ” ở dây không phải làvấn đề từ ngữ, mà chì nhằm mục đích thuận tiện cho các nội dung trình bày sau này Từ nay về sau, nếu không nhấn mạnh thì khái niệm “quá trình” có thể được hiểu là “quá trìnhcông nghệ” hoặc ”quá trình kỹ thuật” tùy theo ngữ cảnh sử dụng

Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình Khái niệm quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình được minh họa trên Hình 1.1 Một biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trang thái đóng/mở của rơ-le soi đốt, Một biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiệntác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thường hay quá cao

Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình

Nhìn từ quan điểm lý thuyết của hệ thống các biến vào thể hiện nguyên nhân trongkhi các biến có thể xuất hiện kết quả (quan hệ nhân – quả) Cạnh các biến vào ra, nhiều

khi ta cũng quan tâm đến các biến trạng thái Các biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ nhiệt độ, áp suất hơi hoặc mức chất lỏng, hoặc cũng có thể

là dẫn xuất từ các đại lượng đặc trưng khác, ví dụ như (tốc độ) biến thiên nhiệt độ, áp suất hoặc mức Trong nhiều trường hợp, một trạng thái biến cũng có thể được coi là một biến Ví dụ, mức nước trong bình chứa vừa có thể coi là một trạng thái, vừa có thể coi là một biến ra

Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là ca thiệp các biến vào của quá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các tiêu chí trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và môi trường xung quanh Hơn nữa, các diễn biến của quá trình cũng như các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát chặt chẽ.Tuy nhiên, trong một quá trình công nghệ thì không phải biến vào nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển

Biến cần điều khiển (controlled variable, CV) là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt (set point, SP) hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu (command variable/reference signal) Các biến cần điều khiển liên quan quan hệ trọng đến sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm Nhiệt độ, mức, lưu lượng,

áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình có thể được đo, ghi chép hoặc hiển thị

Biến điều khiển (manipulated variable, MV) là một biến vào của quá trình có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn Trong điều khiển quá trình thì lưu lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất

Những biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm được coi là nhiễu Nhiễu tác động tới quá trình một cách không mong muốn, vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ hoặc ít nhất là giảm thiểu ảnh hưởng của nó Có thể phân biệt hai loại nhiều có đặc trưng khác hẳn nhau là nhiễu quá trình (disturbance) và nhiễu đo (noise) Nhiễu quá trình là những biến vào tác động lên quá trình kỹ thuật một cách cố hữu nhưng không can thiệp dược, ví dụ trọng lượng hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, thành phần nhiên liệu, v.v Còn nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo được

Lưu ý rằng, cần phân biệt rạch ròi giữa các đầu vào/ra công nghệ và đầu vào/ra nhìn từ lý thuyết hệ thống Nhìn từ phía công nghệ thì các đầu vào và đầu ra của một quá trình có thể là năng lượng hoặc vật chất, nhưng từ quan điểm hệ thống ta chỉ quan tâm tớithông tin thể hiện qua các biến quá trình Hình 1.2 minh họa một bình chứa chất lỏng đơngiản cùng với các biến đặc trưng Đây là một quá trình công nghệ, trong đó chất lỏng được vận chuyển và lưu trữ Mặc dù chất lỏng chảy vào và ra khỏi bình, nhưng cả lưu lượng vào và lưu lượng ra đều được coi là các biến vào, trong khi mức chất lỏng h vừa cóthể coi là một biến trạng thái hoặc là một biến ra của quá trình Bài toán điều khiển đặt ra

là thông qua điều chỉnh độ mở van cấp, thay đổi lưu lượng vào F i, một cách hợp lý để

duy trì mức trong bình h ổn định tại một giá trị mong muốn, không phụ thuộc vào lưu

lượng ra F0 Có thể dễ dàng thấy, mức chất lỏng h là biến cần điều khiển và lưu lượng

vào F i là biến điều khiển Trong khi đó, lưu lượng ra F0 phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng của quá trình tiếp theo, không thể can thiệp được ở đây vì vậy được coi là nhiễu quá trìnhhay nhiễu tải.

Hình 1.2 Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình

Các biến quá trình có thể đo được hoặc không đo được Trong đa số các trường hợp, biến cần điều khiển cũng là một đại lượng đo được Tuy nhiên nếu phép đo một đại lượng quá chậm, quá thiếu chính xác hoặc quá tốn kém, nó có thể được quan sát, tính toán hoặc điều khiển gián tiếp thông qua một đại lượng khác thay vì đo hoặc điều khiển trực tiếp Vì thế, một biến cần điều khiển trong một số trường hợp chưa chắc sẽ là một biến được điều khiển Ví dụ, đối với các tháp chưng luyện thì biến cần điều khiển là thành phần của sản phẩm ra Tuy nhiên, phép đo thành phần hóa chất thường rất chậm và kém chính xác, hơn nữa ảnh hưởng của nhiễu được phản ánh rất chậm trong thay đổi thành phần sản phẩm ra Thực tế, người ta có thể chọn biến được điều khiển là nhiệt độ đỉnh tháp cũng như nhiệt độ đáy tháp, với lý do thành phần sản phẩm có hệ thống chặt chẽ với nhiệt độ, nhiệt độ dễ đo hơn và phản hồi ánh sáng nhanh hơn ảnh hưởng của nhiễu Trong nhiều bài toán, việc nhận biết các biến quá trình cũng như chọn các biến được điều khiển và điều khiển biến không phải bao giờ cũng dễ dàng Đây là một trong những quan trọng của nhiệm vụ trong quá trình điều khiển hệ thống thiết kế mà chúng ta

sẽ bàn kỹ hơn trong các chương trình sau

1.3 Phân loại quá trình

Các công nghệ được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau Cách phân loại thứ nhất là dựa trên số lượng biến vào và biến ra Một quá trình chỉ có một biến ra được gọi là quá trình đơn biến, còn nếu có nhiều biến ra thì được gọi là quá đa biến Một quá trình một vào – một ra còn được gọi tắt là SISO (single-input single-output), quá trình nhiều vào – nhiều ra được gọi là MIMO (multi-input multi-output) Có thể nói, hầu hết các công nghệ đều là đa biến

Dựa trên đặc tính của các đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng thái tiêubiểu), ta cũng có thể phân loại các quá trình thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ Trong một quá trình liên tục, các nguyên liệu hoặc nănglượng đầu vào được vận chuyển hoặc biến đổi một cách liên tục (hoặc gần như liên tục) Một khi đạt được trạng thái xác lập, bản chất của quá trình không phụ thuộc vào thời gianvận hành Các đại lượng đặc trưng của một quá trình liên tục là các biến tương tự, tức chúng có thể lấy một giá trị bất kỳ trong phạm vi giới hạn Quá trình trao đổi nhiệt, quá

trình bay hơi, quá trình vận chuyển chất lỏng và chất khí là các ví dụ quá trình liên tục tiêu biểu Một quá trình gián đoạn (hay còn gọi là quá trình không liên tục) có bản chất giống như quá trình liên tục, tuy nhiên các biến vào ra chỉ được quan sát tại những thời điểm gián đoạn nhất định.

Trong một quá trình rời rạc, các đại lượng đặc trưng chỉ thay đổi giá trị tại một số thời điểm nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong một tập hữu hạn cho trước, tạo nên trạng thái rời rạc của quá trình Cũng vì vậy, các đại lượng đặc trưng của một quá trình rời rạc thường được biếu biễn bằng các biến số nguyên, trường hợp đặc biệt là các biến kí tự (cho các sự kiện) hoặc biến logic (cho các trạng thái logic) Quá trình đóng bao, đóng chai, quá trình phục vụ, quá trình chế tạo, quá trình lắp ráp là các ví dụ quá trình rời rạc tiêu biểu

Một quá trình mẻ là một quá trình hỗn hợp (hệ lai, hybrid system), có đặc trưng của cả quá trình liên tục và quá trình rời rạc Quá trình mẻ hoạt động theo một quy trình thao tác (công thức, recipe) cho trước và tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn hữu hạntương ứng với một mẻ Các đại lượng đặc trưng của một quá trình mẻ bao gồm các biến tương tự và biến rời rạc Đặc biệt, yếu tố thời gian và yếu tố sự kiện đóng một vai trò qua trọng trong một quá trình mẻ Các quá trình phản ứng hóa học, quá trình pha chế, quá trình lên men (bia, rượu) là những ví dụ tiêu biểu cho quá trình mẻ

Quá trình liên tục và quá trình mẻ là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế biến, trong khi quá trình rời rạc là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế tạo và lắp ráp Do vậy, trong lĩnh vực điều khiển quá trình ta quan tâm trước hết tới các quá trình liên tục và quá trình mẻ Tuy nhiên, ngay cả trong những nhà máy chế biến cũng tồn tại một số quá trình rời rạc, ví dụ quá trình nhập xuất hàng, vận chuyển, đóng bao, khởi động

và dừng thiết bị,

1.4 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình

Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu quả và kinh tế cho quá trình công nghệ Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình, người kỹ sư phải làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần thực hiện để đạt được các mục đích đó Việc đặt bài toán và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển quá bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thể hóa các mục đích điều khiển Phân tích mục đích điều khiển là cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình

Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và sắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản sau đây:

1 Bảo đảm hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêucầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy, vận hành thuận tiện

2 Bảo đảm năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm trong phạm vi yêu cầu

3 Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố

4 Bảo vệ môi trường: giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại,giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu.

5 Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường

Để phân tích các mục đích điều khiển và làm rõ các chức năng điều khiển quá trình, ta xét ví dụ điều khiển thiết bị khuấy trộn minh họa trên Hình 1.3 Hai dòng nguyênliệu có thành phần chất A lần lượt là x1 và x2 được đưa vào thiết bị khuấy trộn, tạo ra một

sản phẩm có thành phần x theo yêu cầu Lưu lượng khối lượng của các dòng nguyên liệu

được kí hiệu là w1 và w2, có thể điều chỉnh qua hai van cấp tương ứng Quá trình pha chế được hỗ trợ bởi một hệ thống khuấy trộn gắn động cơ Dung dịch sản phẩm được đưa tới

quá trình tiếp theo với lưu lượng khối lượng w Thiết bị khuấy trộn có thể hoạt động theo

chế độ liên tục hoặc theo mẻ, ở đây ta quan tâm trước hết tới chế độ vận hành liên tục

Hình 1.3 Ví dụ thiết bị khuấy trộn đơn giản

1.5 Các thành phần của hệ thống

Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa, các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản đến tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dự trên 3 thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển Chức năng của mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng được thể hiện một các trực quan với sơ đồkhối trên Hình 1.4

Hình 1.4 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình

Trong đó:

- Giá trị đặt: Set Point (SP), Set Value (SV)

- Tín hiệu điều khiển: Control Signal, Controller Output (CO)

- Biến điều khiển: Control Variable, Manipulated Variable (MV)

- Biến được điều khiển: Controlled Variable (CV)

- Đại lượng đo: Measured Variable, Process Value (PV)

- Tín hiệu đo: Measured Signal, Process Measurement (PM)

Để thấy một các sơ lược chức năng của từng thành phần trong hệ thống và quan hệgiữa chúng ta, trước hết ta xét một ví dụ về điều khiển nhiệt độ minh họa trên Hình 1.5 Nhiệt độ chất lỏng ra khỏi bình (T) được đo bằng cảm biến cặp nhiệt, tín hiệu điện áp ra được một bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) chuyển sang tín hiệu chuẩn dòng 4-20mA

và đưa tới bộ điều khiển DCS (Distributed Control System) DCS là giải pháp điều khiển

số tích hợp có cấu trúc phân tán được sử dụng rất rộng rãi trong các hệ thống điều khiển quá trình Tín hiệu do tương tự 4-20mA trước khi hết phải được chuyển sang dạng số (khâu biến đổi A/D) trước khi được xử lý tiếp trong máy tính số Giá trị nhiệt độ mong muốn (T sp) được người vận hành đặt từ trạm vận hành, hoặc do một chương trình điều khiển cao cấp trên trạm vận hành tính toán và đưa xuống Qua so sánh giữa giá trị đo với giá trị đặt mong muốn, chương trình điều khiển tính toán giá trị biến điều khiển theo một thuật toán đã được cài đặt Ví dụ với thuật toán tỉ lệ, giá trị biến điều khiển sẽ tỉ lệ thuận với sai lệch Giá trị này được khâu biến đổi số - tương tự (khâu D/A) chuyển thành tín hiệu điều khiển theo chuẩn dòng 4-20mA để đưa xuống van điều khiển (thiết bị chấp hành) Cuối cùng, tín hiệu điều khiển được chuyển đổi qua khâu I/P thành dạng tín hiệu khí nén 0.2-1bar để thay đổi độ mở van cấp dòng nóng Lưu lượng dòng nóng F1 được

thay đổi và thông qua đó điều chỉnh nhiệt độ ra T tới giá tri đặt T sp

Ví dụ minh họa ở đây dựa trên cấu trúc ghép nối truyền thông với các tín hiệu tương tự và vào - ra tập trung Trong thực tế người ta có thể sử dụng các cấu trúc ghép nối khác như vào - ra phân tán và sử dụng công nghệ bus trường Khi đó quan hệ liên kếtgiữa các thành phần trong hệ thống có thể khác một chút về mặt hình thức, nhưng bản chất trao đổi thông tin không có gì khác biệt

Hình 1.5 Các thành phần trong hệ thống điều khiển nhiệt độ

1.5.1.Thiết bị đo

Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa nào

đó với đại lượng đo Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến (sensor) và

chuyển đổi (transducer) Một cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận địa lượng quan tâm của quá trình kỹ thuật và biến đổi thành một tín hiệu Để có thể truyền xa và sử dụng được trong thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được khuếch đại, điều hòa và chuyển đổi sang một dạng thích hợp Một bộ chuyển đổi đochuẩn (transmitter) là một bộ chuyển đổi do mà cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0-20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu bus trường, ) Trong các hệ thống điều khiển quá trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất, song xu hướng gần đây cho thấy việc ứng dụng công nghệ bus trường ngày càng chiếm ưu thế Lưu ý rằng các thuật ngữ “transmitter” hoặc “transducer” đôi khi cũng được dùng để chỉ cả thiết bị đo, tức là trong đó đã bao gồm cả “sensor”.

1.5.2 Thiết bị điều khiển

Thiết bị điều khiển (control equipment, controller) hay bộ điều khiển (controller)

là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp Mặc dù các thuật ngữ “thiết bị điều khiển” và “bộ điều khiển” trong thực tế được sử dụng với nghĩa tương đồng, ở đây ta cũng cần làm rõ sự khác biệt nhỏ Tùy theo ngữ cảnh, một bộ điều khiển có thể được hiểu là một thiết bị điềukhiển đơn lẻ (ví dụ bộ điều khiển nhiệt độ), một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điềukhiển chia sẻ (ví dụ khối PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị điều khiển chia sẽ (ví dụ một trạm PLC/DCS)

Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển sách lược điều khiển được lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển

để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành Tùy theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể được xếp loại là thiết bị điều khiển tương tự (analog controller), thiết bị điều khiển logic (logic controller) hoặc thiết bị điều khiển số (digital controller) Các thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén hoặc điện tử được xếp vào loại tương tự Một mạch logic rơ-le (cơ - điện hoặc điện tử) là một thiết bị điều khiển logic theo đúng nghĩa của nó Một thiết bị điều khiển số được xây dựng trên nền tảng máy tính số, có thể thay thế chức năng của một thiết bị điều khiển tương tự hoặc một thiết bị điều khiển logic Một thiết bị điều khiển số có thể chấp nhận các đầu vào/ra là tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự và tích hợp các thành phần chuyển đổi tương tự - số như cầu thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giờ cũng đượcthực hiện bằng máy tính số Một thiết bị điều khiển số không những cho chất lượng và độtin cậy cao hơn, mà còn có thể đảm nhiệm nhiều chức năng điều khiển, tính toán và hiển thị cùng một lúc

Có thể nói rằng, tất cả các giải pháp điều khiển hiện đại (PLC, DCS, PAS) đều là các hệ điều khiển số Một thiết bị điều khiển số thực chất là một máy tính số được trang

bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều khiển Vì vậy khi ta nói tới máy tính điều khiển tức là chỉ bao hảm khối xử lý trung tâm (CPU), khối nguồn (PS) và các thành phần tích hợp trên bo mạch Còn các khái niệm thiết bị điều khiển hoặc trạm điều khiển bao hàm cả máy tính điều khiển và các thành phần mở rộng, kể cả các module vào/ra và module chức năng khác

1.5.3 Thiết bị chấp hành

Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system, final control element) nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện tác động can thiệp tới biến điều khiển Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm và quạt gió Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật Ví dụ, tùy theo tín hiệu điều khiển mà một van điều khiển có thể điều chỉnh độ mở van và thay đổi lưu lượng cấp, qua đó điều chỉnh mức chất lỏng trong bình Một máy bơm có điều chỉnh tốc độ cũng có thể sử dụng để thay đổi áp suất dòng chất lỏng hoặc dòng khí và qua đó điều chỉnh lưu lượng

Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ cấu chấp hành hay cơ cấu dẫn động (actuator) và phần tử điều khiển (control element) Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng (cơ hoặc nhiệt), trong khi phần từ tác động can thiệp trực tiếp vào biển điều khiển Ví dụ trên Hình 1.5, cơcấu chấp hành bao gồm khẩu chuyển đổi L/P cộng với cơ cấu truyền động khí nén, còn phần tử điều khiển chính là thân van

1.6 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống

Việc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm nhiều bước như phân tích, thiết kế, lập trình, chỉnh định và đưa vào vận hành, ta gọi chung là các nhiệm vụ phát triển hệ thống Các nhiệm vụ chính của người kỹ sư trong phát triển hệ thống điều khiển quá trình được minh họa trên Hình 1.6

1.6.1 Phân tích chức năng hệ thống

Qui trình thiết kế một hệ thống điều khiển bao giờ cũng bắt đầu với bước tìm hiểu các yêu cầu công nghệ để đưa ra đặc tả các chức năng cụ thể của hệ thống dựa trên cơ sở phân tích các mục đích điều khiển cơ bản Đây là một nhiệm vụ hiết sức quan trong, cần

có sự hợp tác chặt chẽ giữa những người làm điều khiển với các nhà công nghiệ Người

kỹ sư thiết kế điều khiển được cung cấp các bản vẽ và tài liệu liên quan mô tả quy trình công nghệ, trong đó bản vẽ lưu đồ công nghệ là quan trọng nhất Công việc của người kỹ

sư thiết kế điều khiển trước hết là nghiên cứu các bài toán điều khiển, bổ sung các chức năng điều khiển quá trình cụ thể và thể hiện chúng trên các bản vẽ và lưu đồ chức năng hay lưu là P&ID sơ lược Tiếp theo, các yêu cầu về mặt công nghệ cho mỗi bài toán điều khiển cần được cụ thể hóa thông qua của các chỉ tiêu chất lượng, ví dụ sai số điều khiển cho phép, thời gian quá độ, mức độ dao động, Bên cạnh đó, các điều kiện vận hành nhưđiểm làm việc, các điều kiểu biên, các chế độ vận hành và các yêu cầu về an toàn hệ thống cũng cần được làm rõ Các biểu đồ trình tự cũng được sử dụng để biểu diễn các yêucầu về trình tư vận hành công nghệ

Hình 1.6 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống điều khiển quá trình

1.6.2 Xây dựng mô hình quá trình

Thiết kế hệ thống trên cơ sở mô hình là phương pháp không thể thiếu của người kỹ

sư Mô hình giúp ta hiểu rõ hơn về quá trình công nghệ, giúp ta trừu tượng hóa vấn đề và

vì thế đơn giản hóa cách giải quyết Hơn nữa, mô hình quá trình không chỉ quan trọng đốivới công việc thiết kế mà còn phục vụ việc mô phỏng và đảo tạo vận hành Việc xây dựng mô hình còn được gọi là mô hình hóa Mô hình hóa có thể tiến hành ở nhiều mức vàvới nhiều phương pháp khác nhau

1.6.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển

Sau khi đã làm rõ các chức năng điều khiển và hiểu rõ mô hình toán học của quá trình, bước tiếp theo là xác định cấu trúc điều khiển (hay sách lược điều khiển) Thiết kế cấu trúc điều khiển chưa đi cụ thể vào thuật toán điều khiển, mà nhằm mục đích làm rõ

về mặt cấu trúc liên kết giữa các phần tử trong hệ thống Đây là công việc hết sức quan trọng, đòi hỏi không những kiến thức vững chắc về lý thuyết điều khiển mà cả nhiều kinhnghiệm thực tế Về mặt cấu trúc điều khiển, cần cân nhắc lựa chọn giữa cấu trúc tập trung, cấu trúc phi tập trung hoặc các cấu trúc hỗn hợp (phân tán, phân cấp) Tiếp theo, tacần lựa chọn các biến được điều khiển, các biển điều khiển tương ứng, các biến nhiều và liên kết chúng với nhau dựa trên các phần tử cấu hình để xây dựng các sách lược điều khiển tụ thể, ví dụ sách lược phản hồi, bù nhiễu, tỉ lệ, Kết quả của công việc thiết kế sách lược điều khiển được thể hiện rõ nhất trên các lưu đồ P&ID chi tiết Kết quả của thiết kế sách lược điều khiển liên động là các bản vẽ biểu đồ logic, trong khi kết quả của

thiết kế sách lược điều khiển trình tự là các bản vẽ biểu đồ trình tự Những công cụ toán học và công cụ máy tính trong lý thuyết điều khiển tự động giúp ta phân tích và đánh giá tính thích hợp của các sách lược điều khiển.

1.6.4 Thiết kế thuật toán điều khiển

Thiết kế thuật toán điều khiển hay thiết kế bộ điều khiển là việc xác định rõ ràng các bước tính toán và các công thức tính toán cụ thể để có thể cài đặt trên máy tính điều khiển Công việc thiết kế bộ điều khiển bao gồm hai bước lựa chọn kiểu bộ điều khiển hay cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các tham số của bộ điều khiển Công việc thiết kế bộ điều khiển bao giờ cũng không thể tách rời bài toán phân tích hệ thống Đặc biệt ở đây, các phương pháp hiện đại của lý thuyết điều khiển tự động cùng các công

cụ máy tính có vai trò hết sức quan trong Song, để có thể đưa mỗi bài toán thiết kế cụ thể

về dạng chuẩn quen thuộc, người kỹ sư hiểu rõ mối quan hệ giữa bộ điều khiển với các thiết bị đo và thiết bị chấp hành cũng như đặc tính cơ bản của chúng

Bên cạnh thuật toàn điều khiển cho chức năng điều chỉnh, ta cũng phải đặc biệt quan tâm tới các thuật toán logic cho điều khiển liên động và điều khiển trình tự Kết quả của thiết kế thuật toán điều khiển liên động là các biểu đồ chức năng logic hoặc phương trình logic, trong khi kết quả của thiết kế điều khiến trình tự là các bản vẽ biểu đồ chức năng trình tự chi tiết

1.6.5 Lựa chọn giải pháp hệ thống

Lựa chọn giải pháp hệ thống bao gồm lựa chọn kiến trúc giải pháp hệ thống điều khiển và giám sát, lựa chọn các thiết bị đo và thiết bị chấp hành sao cho phù hợp với các yêu cầu của quy trình công nghệ Công việc này đòi hỏi người kỹ sư có một cái nhìn tổngquan về công nghệ hệ thống điều khiển và cũng như nắm được các vấn đề cơ bản trong phương pháp đánh giá tính năng của các giải pháp khác nhau

hệ thống điều khiển

1.6.7 Chỉnh định và đưa vào vận hành

Bước cuối cùng trong công việc phát triển hệ thống được thực hiện tại hiện

trường, bao gồm hiệu chuẩn các thiết bị đo, chỉnh định lại các tham số của điều khiển, thử nghiệm từng vòng điều khiển, thử nghiệm từng tổ hợp công nghệ, chạy thử từng phânđoạn và đưa vào vận hành toàn bộ nhà máy Đây cũng là nhiệm vụ hết sức phức tạp, đòi hỏi kiến thức tương đối toàn diện, kinh nghiệm dự án và sự hợp tác hết sức chặt chẽ giữa các kỹ sư công nghệ, kỹ sư đo lường, kỹ sư điều khiển và tự động hóa trong nhóm

chuyên gia hiện trường

Chương 2: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH, MÔ HÌNH HÓA LÝ THUYẾT&NHẬN

DẠNG QUÁ TRÌNH 2.1 Mô hình và mục đích mô hình hóa

Hầu hết các phương pháp điều khiển hiện đại đều dựa trên cơ sở mô hình toán học.Mục đích của phần này là giúp người đọc hiểu rõ hơn về vai trò của mô hình trong các nhiệm vụ phát triển hệ thống nói chung và trong phân tích, thiết kế điều khiển nói riêng, đồng thời nắm được các nguyên tắc cơ bản trong nhiệm vụ mô hình hóa quá trình, trước khi đưa vào các nội dung chi tiết trong các phần sau

Mô hình là hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một

hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng Phân tích và thiết kế trên cơ sở mô hình là phương pháp không thể thiếu được của mỗi người kỹ sư Mô hình không phải là một ‘bản sao’ mà chỉ là ‘bản chụp’ của thế giới thực từ một góc nhìn nào đó, vì vậy mô hình không cần thiết phản ánh đầy đủ các khía cạnh của hệ thống thực Như người ta thường nói”Không có mô hình nào chính xác, nhưng một số mô hình có ích”

Mô hình phân chia làm hai loại: mô hình trừu tượng và mô hình vật lý Mô hình vật lý là sự thu nhỏ đơn giản hóa hệ thống thực, xây dựng trên cơ sở Vật lý- Hóa học giống như các quá trình và thiết bị thực Mô hình Vật lý là một phương tiện hữu ích phục

vụ đào tạo cơ bản và nghiên cứu ứng dụng, phù hợp cho các công việc thiết kế và phát triển của người kỹ sư ĐKQT

Mô hình trừu tượng được xây dựng trên cơ sở một ngôn ngữ bậc cao, nhằm mô tả một cách lô gic các quan hệ về mặt chức năng giữa các thành phần của hệ thống Việc xây dựng mô hình trừu tượng gọi là mô hình hóa Mô hình hóa là quá trình trừu tượng hóa, trong đó thế giới thực được mô tả bằng một ngôn ngữ mô hình hóa

Phân loại mô hình trừu tượng

- Mô hình đồ họa với các ngôn ngữ mô hình hóa đồ họa như lưu đồ công nghệ, lưu đồ P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri, biểu đồ SFC (sequence function chart)…Mô hình đồ17 họa biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trúc liên kết và tương tác giữa các thành phần

- Mô hình toán học với ngôn ngữ của toán học như phương trình vi phân, phương trình đại số, hàm truyền đạt, phương trình trạng thái Mô hình toán học thích hợp cho mục đíchnghiên cứu sâu sắc các đặc tính của từng thành phần cũng như bản chất của các mối liên kết và tương tác

- Mô hình suy luận là một hình thức biểu diễn thông tin và đặc tính về hệ thống thực dướidạng các luật suy diễn, sử dụng các ngôn ngữ bậc cao (gần với tư duy con người) như sơ

đồ cây, lưu đồ thuật toán

- Mô hình máy tính là các chương trình phần mềm mô phỏng đặc tính của hệ thống theo những khía cạnh quan tâm Mô hình máy tính được xây dựng với các ngôn ngữ lập trình, trên cơ sở sử dụng các mô hình toán học hoặc mô hình suy luận

Trong bốn mô hình trên, các mô hình toán học có vai trò then chốt trong hầu hết nhiệm vụ phát triển hệ thống Mô hình toán học giúp người kỹ sư điều khiển các mục đích sau đây: